Nas décadas recentes, os computadores tornaram-se mais rápidos e os discos rígidos e chips de armazenamento atingiram capacidades enormes. Mas essa tendência não pode continuar para sempre. Os limites físicos estão impedindo que a tecnologia de computador baseada em silício obtenha ganhos adicionais de velocidade. Os pesquisadores estão otimistas de que a próxima era de avanços tecnológicos começará com o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias de processamento de informações que combinam circuitos elétricos com circuitos ópticos. Usando pulsos de laser curtos, uma equipe de pesquisa liderada por Misha Ivanov do Instituto Max Born em Berlim, junto com cientistas do Russian Quantum Center em Moscou, lançou luz sobre os processos extremamente rápidos que ocorrem nesses novos materiais. Seus resultados aparecem em Nature Photonics .

De particular interesse para a pesquisa de materiais modernos em física do estado sólido são os sistemas fortemente correlacionados, que exibem fortes interações entre elétrons. Os ímãs são um bom exemplo:os elétrons nos ímãs se alinham em uma direção preferencial de rotação dentro do material, produzindo o campo magnético. Mas existem outros, ordens estruturais totalmente diferentes que merecem atenção. Por exemplo, nos chamados isoladores Mott, os elétrons devem fluir livremente e os materiais devem, portanto, ser capazes de conduzir eletricidade, assim como metais. Mas a interação mútua entre os elétrons nestes materiais fortemente correlacionados impede seu fluxo, e assim os materiais se comportam como isolantes.

Ao interromper este pedido com um forte pulso de laser, as propriedades físicas podem ser alteradas drasticamente. Isso pode ser comparado a uma transição de fase de sólido para líquido - conforme o gelo derrete, por exemplo, cristais de gelo rígidos se transformam em moléculas de água de fluxo livre. Muito similarmente, os elétrons em um material fortemente correlacionado ficam livres para fluir quando um pulso de laser externo força uma transição de fase em sua ordem estrutural. Essas transições de fase devem permitir que os pesquisadores desenvolvam elementos de comutação inteiramente novos para eletrônicos de próxima geração que são mais rápidos e potencialmente mais eficientes em termos de energia do que os transistores atuais. Em teoria, computadores poderiam ser feitos cerca de 1000 vezes mais rápido "turbinando" seus componentes elétricos com pulsos de luz.

O problema de estudar essas transições de fase é que elas são extremamente rápidas, e, portanto, é muito difícil pegá-los em flagrante. Os cientistas tiveram que se contentar em caracterizar o estado de um material antes e depois de uma transição de fase desse tipo. Contudo, investigadores Rui E. F. Silva, Olga Smirnova, e Misha Ivanov, do Berlin Max Born Institute, agora desenvolveram um método que irá, no sentido mais verdadeiro, lançar luz sobre o processo. Sua teoria envolve disparos extremamente curtos, pulsos de laser sob medida em um material - pulsos só agora possíveis na qualidade apropriada por meio dos mais recentes desenvolvimentos em lasers. Eles observaram a reação do material a esses pulsos para ver como os elétrons do material são excitados em movimento, e, como um sino, emitem vibrações ressonantes em frequências específicas como harmônicos da luz incidente.

"Ao analisar este espectro harmônico alto, podemos observar a mudança na ordem estrutural nestes materiais fortemente correlacionados ao vivo pela primeira vez, "diz o primeiro autor Rui Silva, do Instituto Max Born. Fontes de laser capazes de desencadear com precisão essas transições são desenvolvimentos recentes. Os pulsos de laser devem ser suficientemente fortes e extremamente breves - na ordem dos femtossegundos de duração (milionésimos de um bilionésimo de um segundo).

Em alguns casos, leva apenas uma única oscilação de luz para interromper a ordem eletrônica de um material e transformar um isolante em um condutor semelhante a metal. Os cientistas do Berlin Max Born Institute estão entre os maiores especialistas do mundo na área de pulsos de laser ultracurtos. "Se quisermos usar a luz para controlar as propriedades dos elétrons em um material, então precisamos saber exatamente como os elétrons vão reagir aos pulsos de luz, "Ivanov explica. Com as fontes de laser de última geração, que permitem controle total sobre o campo eletromagnético, mesmo com uma única oscilação, o método recém-publicado permitirá insights profundos sobre os materiais do futuro.